A Luminescent Organic Triradical as an Optically Addressable Qudit

Auf der Suche nach dem Bau von Maschinen, die Probleme lösen können, die weit jenseits der Reichweite heutiger Computer liegen, wenden sich Wissenschaftler an die kleinstmöglichen Informationseinheiten. Jahrzehntelang lag der Fokus auf dem Qubit, einem winzigen Schalter, der in zwei Zuständen gleichzeitig existieren kann – ähnlich wie eine Münze, die auf einem Tisch rotiert und sowohl Kopf als auch Zahl ist, bis sie landet. Die Natur bietet jedoch eine reichere Palette als nur zwei Optionen. So wie eine Tonleiter mehr als zwei Noten hat, können Quantensysteme so gestaltet werden, dass sie mehrere Zustände gleichzeitig halten. Diese Multi-Zustands-Einheiten, bekannt als Qudits, könnten neue Wege eröffnen, um Informationen zu verarbeiten und die Welt mit extremer Präzision wahrzunehmen. Die Herausforderung besteht darin, Materialien zu finden, die diese komplexen Zustände stabil halten und gleichzeitig es den Wissenschaftlern ermöglichen, Informationen mithilfe von Licht zu lesen und zu schreiben – eine Methode, die schnell und präzise ist.

Ein Forschungsteam hat nun einen neuen molekularen Baustein geschaffen, der dieses Konzept näher an die Realität bringt. Sie entwarfen ein einzelnes, stabiles organisches Molekül, das als lichtemittierendes Qudit fungiert. Dieses Molekül besteht aus drei identischen Radikalgruppen – chemischen Strukturen mit einem ungepaarten Elektron – die um einen zentralen Ring angeordnet sind. Durch die Verbindung dieser drei Teile auf eine spezifische Weise zwangen die Wissenschaftler die ungepaarten Elektronen dazu, ihre Spins kooperativ auszurichten, wodurch ein Grundzustand mit vier statt der üblichen zwei Energieniveaus entstand. Diese Struktur ist nicht nur eine theoretische Kuriosität; sie leuchtet mit Licht auf, wenn sie angeregt wird, und die Farbe sowie das Timing dieses Leuchtens offenbaren den internen Zustand der Elektronen. Die Forscher demonstrierten, dass sie einen Laser verwenden konnten, um das Molekül in einen bestimmten Zustand zu bringen, es mit Mikrowellen zu steuern und das Ergebnis durch seine Lichtemission auszulesen, wobei die optische Initialisierung und das Auslesen bei Raumtemperatur möglich waren.

Das Molekül, das die Forscher als Triradikal bezeichnen, wird aufgebaut, indem drei Tritylgruppen an einen zentralen Phenylring angehängt werden. Tritylgruppen sind für ihre Stabilität und ihre einzigartigen magnetischen Eigenschaften bekannt, aber die Kombination von drei dieser Gruppen zu einer einzigen leuchtenden Einheit erforderte ein sorgfältiges Design. Das Team nutzte einen chemischen Prozess, um die drei Teile zu verknüpfen und sicherzustellen, dass sie genau richtig beabstandet waren, um zu interagieren, ohne die Stabilität der jeweils anderen zu zerstören. Als sie das Molekül untersuchten, stellten sie fest, dass es zwei unterschiedliche Sätze von Energiezuständen besaß: einen Dublett-Zustand mit zwei möglichen Konfigurationen und einen Quartett-Zustand mit vier. Entscheidend ist, dass der Quartett-Grundzustand etwa 1 meV etwas tiefer liegt als das Dublett, was bei Raumtemperatur zu einer nahezu gleichen Besetzung von Dubletts und Quartetts führt. Diese nahezu gleiche Mischung ist wichtig, da sie es dem System ermöglicht, einen größeren Bereich von Informationszuständen abzurufen, als es ein einfaches Zwei-Zustands-System jemals könnte.

Als die Forscher das Molekül mit einem blauen Laser bestrahlten, absorbierte es die Energie und begann zu leuchten. Sie beobachteten zwei unterschiedliche Farben des Lichts, die aus der Probe hervorgingen: ein Leuchten bei 633 Nanometern und ein tieferes Rot bei 690 Nanometern. Durch die Messung der Dauer, die jede Farbe anhielt, entdeckten sie, dass das Licht bei 633 Nanometern vom Quartett-Zustand stammte und schnell verblasste, während das Licht bei 690 Nanometern vom Dublett-Zustand stammte und länger anhielt und die verzögerte Photolumineszenz dominierte. Diese Trennung ermöglichte es ihnen, zwischen den beiden Arten von Zuständen allein durch das Betrachten der Farbe und des Zeitpunkts des Lichts zu unterscheiden. Das Team fand auch heraus, dass das Molekül durch Magnetfelder manipuliert werden konnte. Als sie ein schwaches Magnetfeld von nur 5 Millitesla anlegten, änderte sich die Helligkeit des Lichts um bis zu 3 Prozent. Diese Empfindlichkeit deutet darauf hin, dass das Molekül als hocheffektiver Sensor zur Detektion winziger magnetischer Fluktuationen in seiner Umgebung dienen könnte.

Um zu beweisen, dass das Molekül als Quantenbauelement funktionieren kann, führten die Wissenschaftler eine Reihe von Tests durch, um zu sehen, ob sie die Elektronenspins kontrollieren können. Sie verwendeten einen Laserimpuls, um das Molekül in eine bestimmte Spin-Konfiguration zu bringen, ein Prozess, der als optische Initialisierung bekannt ist. Unmittelbar nach dem Blitz verwendeten sie Mikrowellenpulse, um den Zustand des Moleküls zu sondieren. Sie fanden heraus, dass die Spins kohärent gesteuert werden konnten, was bedeutet, dass die Forscher den Quantenzustand mit Präzision steuern konnten. Das Molekül hielt diese Information für eine überraschend lange Zeit fest, wobei die Spin-Gitter-Relaxationszeit über 150 Mikrosekunden erreichte, was die Obergrenze für die Dauer des Zustands festlegte. Während die Experimente zur kohärenten Steuerung bei niedrigen Temperaturen durchgeführt wurden, um diese Zeiten zu verlängern, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass das Material ein lebensfähiger Kandidat zur Informationsspeicherung ist. Darüber hinaus zeigten sie, dass sie die verschiedenen Teile des Quartett-Zustands separat ansprechen konnten, eine Fähigkeit, die essenziell ist, um das Molekül als Multi-Zustands-Prozessor anstelle eines einfachen Ein/Aus-Schalters zu nutzen.

Die Forscher untersuchten auch, wie sich das Molekül unter verschiedenen Bedingungen verhält, wie etwa variierenden Temperaturen und Magnetfeldern. Sie fanden heraus, dass die Energielücke zwischen den Dublett- und Quartett-Zuständen unglaublich klein war, nur etwa 1 Millielektronenvolt. Dieser winzige Unterschied bedeutet, dass die thermische Energie bei Raumtemperatur ausreicht, um das Molekül zwischen diesen Zuständen in Bewegung zu halten, was ungewöhnlich für Quantensysteme ist, die oft Gefriertemperaturen benötigen, um stabil zu bleiben. Das Team bestätigte, dass das Verhalten des Moleküls mit ihren theoretischen Modellen übereinstimmte, womit die Möglichkeit ausschloss, dass Verunreinigungen oder unvollständige chemische Reaktionen die beobachteten Effekte verursachten. Sie zeigten auch, dass das Molekül für die optisch detektierte Magnetresonanz verwendet werden konnte, eine Technik, bei der Mikrowellen eingesetzt werden, um den magnetischen Zustand des Moleküls zu verändern, was dann durch eine Änderung des emittierten Lichts detektiert wird. Diese Methode funktionierte effektiv bei Raumtemperatur, ein bedeutender Vorteil gegenüber vielen anderen Quantenmaterialien, die nahe am absoluten Nullpunkt gehalten werden müssen.

Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Schritt nach vorn in der Entwicklung organischer Quantenmaterialien dar. Indem sie ein Molekül geschaffen haben, das Stabilität, Lichtemission und Multi-Zustands-Steuerung kombiniert, haben die Forscher ein neues Werkzeug für die Quantensensorik und das Quantencomputing bereitgestellt. Die Fähigkeit, Informationen mittels Licht zu lesen und zu schreiben, kombiniert mit der Robustheit des Moleküls bei Raumtemperatur, eröffnet Möglichkeiten für die Integration von Quantentechnologie in Alltagsgeräte. Obwohl das Molekül derzeit ein Laborprototyp ist, bieten seine Konstruktionsprinzipien einen klaren Weg für zukünftige Verbesserungen. Die Forscher schlagen vor, dass sie durch die Anpassung der Symmetrie des Moleküls die Energieniveaus weiter trennen könnten, was es noch einfacher machen würde, einzelne Zustände zu steuern. Dieses Molekül ist nicht nur eine neue chemische Verbindung; es ist ein Beweis dafür, dass komplexes Quantenverhalten in einfache, organische Strukturen eingebaut werden kann, was den Traum von molekularen Quantengeräten einen Schritt näher zur Realität bringt.